25/08/01CCD senzor sa umnožavanjem elektrona je evolucija CCD senzora kako bi se omogućio rad u uslovima slabijeg osvjetljenja. Obično su namijenjeni za signale od nekoliko stotina fotoelektrona, sve do nivoa brojanja pojedinačnih fotona.
Ovaj članak objašnjava šta su EMCCD senzori, kako funkcionišu, koje su njihove prednosti i nedostaci, i zašto se smatraju sljedećom evolucijom CCD tehnologije za snimanje u uslovima slabog osvjetljenja.
Šta je EMCCD senzor?
Senzor sa elektron-multiplikatorom i nabojno spregnutim uređajem (EMCCD) je specijalizirani tip CCD senzora koji pojačava slabe signale prije nego što se očitaju, omogućavajući izuzetno visoku osjetljivost u okruženjima sa slabim osvjetljenjem.
Prvobitno razvijeni za primjene poput astronomije i napredne mikroskopije, EMCCD-ovi mogu detektovati pojedinačne fotone, zadatak s kojim se tradicionalni CCD senzori bore. Ova sposobnost detekcije pojedinačnih fotona čini EMCCD-ove ključnim za područja koja zahtijevaju precizno snimanje pri vrlo slabom osvjetljenju.
Kako funkcionišu EMCCD senzori?
Do tačke očitavanja, EMCCD senzori rade na istim principima kao i CCD senzori. Međutim, prije mjerenja sa ADC-om, detektovana naboja se množe kroz proces koji se naziva impakcija, u 'registru množenja elektrona'. Kroz niz od nekoliko stotina koraka, naboji iz piksela se pomjeraju duž niza maskiranih piksela pod visokim naponom. Svaki elektron u svakom koraku ima šansu da donese dodatne elektrone. Signal se stoga eksponencijalno množi.
Krajnji rezultat dobro kalibriranog EMCCD-a je mogućnost odabira precizne količine prosječnog množenja, obično oko 300 do 400 za rad u uvjetima slabog osvjetljenja. To omogućava da se detektovani signali množe mnogo više od šuma očitavanja kamere, što efektivno smanjuje šum očitavanja kamere. Nažalost, stohastička priroda ovog procesa množenja znači da se svaki piksel množi različitim iznosom, što uvodi dodatni faktor šuma, smanjujući odnos signala i šuma (SNR) EMCCD-a.
Evo je pregled kako EMCCD senzori rade. Do koraka 6, proces je efektivno isti kao i za CCD senzore.
Slika: Proces očitavanja za EMCCD senzor
Na kraju ekspozicije, EMCCD senzori prvo brzo premještaju prikupljena naboja u maskirani niz piksela istih dimenzija kao i niz osjetljiv na svjetlost (prijenos kadrova). Zatim, red po red, naboji se premještaju u registar za očitavanje. Kolona po kolona, naboji unutar registra za očitavanje se prenose u registar za množenje. U svakoj fazi ovog registra (do 1000 faza u stvarnim EMCCD kamerama), svaki elektron ima malu šansu da oslobodi dodatni elektron, množeći signal eksponencijalno. Na kraju se očitava umnoženi signal.
1. Obrađivanje naplateDa bi se započelo snimanje, naboj se istovremeno uklanja iz cijelog senzora (globalni zatvarač).
2. Akumulacija nabojaNaboj se akumulira tokom ekspozicije.
3. Skladištenje punjenjaNakon ekspozicije, prikupljena naboja se premještaju u maskirano područje senzora, gdje mogu čekati očitavanje bez brojanja novih detektovanih fotona. Ovo je proces 'Prijenosa okvira'.
4. Ekspozicija sljedećeg kadraSa detektovanim nabojima pohranjenim u maskiranim pikselima, aktivni pikseli mogu započeti ekspoziciju sljedećeg kadra (režim preklapanja).
5. Proces očitavanjaRed po red, naboji za svaki red gotovog okvira se premještaju u 'registar za očitavanje'.
6. Kolona po kolona, naboji iz svakog piksela se prenose u čvor za očitavanje.
7. Množenje elektronaZatim, sva elektronska naboja iz piksela ulaze u registar za množenje elektrona i kreću se korak po korak, množeći se eksponencijalno u svakom koraku.
8. OčitavanjeUmnoženi signal očitava ADC, a proces se ponavlja sve dok se ne očita cijeli okvir.
Prednosti i mane EMCCD senzora
Prednosti EMCCD senzora
| Prednost | Opis |
| Brojanje fotona | Detektira pojedinačne fotoelektrone s ultra niskim šumom očitavanja (<0.2e⁻), omogućavajući osjetljivost na jedan foton. |
| Osetljivost pri ultra-slabom osvetljenju | Značajno bolji od tradicionalnih CCD-ova, ponekad nadmašujući čak i vrhunske sCMOS kamere pri vrlo slabom osvjetljenju. |
| Niska tamna struja | Dubinsko hlađenje smanjuje termalni šum, omogućavajući čistije slike tokom dugih ekspozicija. |
| 'Polu-globalni' zatvarač | Prijenos kadrova omogućava gotovo globalnu ekspoziciju s vrlo brzim pomicanjem naboja (~1 mikrosekunda). |
● Brojanje fotonaSa dovoljno visokim umnožavanjem elektrona, šum očitavanja se praktično može eliminisati (<0.2e-). Ovo, uz visoku vrijednost pojačanja i gotovo savršenu kvantnu efikasnost, znači da je moguće razlikovati pojedinačne fotoelektrone.
● Osetljivost pri ultra-slabom osvetljenjuU poređenju sa CCD-ovima, performanse EMCCD-ova pri slabom osvjetljenju su drastično bolje. Mogu postojati neke primjene gdje EMCCD pruža bolju sposobnost detekcije i kontrast čak i od vrhunskih sCMOS-ova pri najnižim mogućim nivoima osvjetljenja.
● Niska tamna strujaKao i CCD-ovi, EMCCD-ovi se obično duboko hlade i mogu isporučiti vrlo niske vrijednosti tamne struje.
● Zatvarač 'Poluglobalni'Proces prenosa kadrova za početak i kraj ekspozicije nije zaista istovremen, već obično traje oko 1 mikrosekunde.
Nedostaci EMCCD senzora
| Nedostatak | Opis |
| Ograničena brzina | Maksimalne brzine kadrova (~30 fps pri 1 MP) su mnogo sporije od modernih CMOS alternativa. |
| Šum pojačanja | Slučajna priroda množenja elektrona uvodi višak šuma, smanjujući SNR (Sub-NR). |
| Naboj induciran taktom (CIC) | Brzo kretanje punjenja može izazvati lažne signale koji se pojačavaju. |
| Smanjeni dinamički raspon | Veliko pojačanje smanjuje maksimalni signal koji senzor može obraditi prije zasićenja. |
| Velika veličina piksela | Uobičajene veličine piksela (13–16 μm) možda nisu usklađene sa mnogim zahtjevima optičkih sistema. |
| Zahtjev za intenzivno hlađenje | Za postizanje konzistentnog umnožavanja i niskog šuma potrebno je stabilno duboko hlađenje. |
| Potrebe za kalibracijom | EM pojačanje se s vremenom smanjuje (opadanje množenja), što zahtijeva redovnu kalibraciju. |
| Nestabilnost kratke ekspozicije | Vrlo kratke ekspozicije mogu uzrokovati nepredvidivo pojačanje signala i šum. |
| Visoka cijena | Složena proizvodnja i duboko hlađenje čine ove senzore skupljim od sCMOS senzora. |
| Ograničeni vijek trajanja | Registar za umnožavanje elektrona se troši, obično nakon 5-10 godina. |
| Izvozni izazovi | Podložno strogim propisima zbog potencijalne vojne primjene. |
● Ograničena brzinaBrzi EMCCD senzori pružaju oko 30 fps pri 1 MP, slično CCD senzorima, za redove veličine sporiji od CMOS kamera.
● Uvod u buku'Faktor viška šuma' uzrokovan slučajnim umnožavanjem elektrona, u poređenju sa sCMOS kamerom sa niskim nivoom šuma i istom kvantnom efikasnošću, može dati EMCCD-ima drastično veći šum, ovisno o nivoima signala. SNR za vrhunske sCMOS kamere je obično bolji za signale od oko 3e-, a još više za više signale.
● Naboj induciran taktom (CIC)Osim ako se pažljivo ne kontroliše, kretanje naboja preko senzora može uvesti dodatne elektrone u piksele. Ovaj šum se zatim množi registrom za množenje elektrona. Veće brzine kretanja naboja (frekvencije takta) dovode do većih brzina kadrova, ali i većeg CIC-a.
● Smanjeni dinamički rasponVrlo visoke vrijednosti multiplikacije elektrona potrebne za prevazilaženje šuma očitavanja EMCCD-a dovode do znatno smanjenog dinamičkog raspona.
● Velika veličina pikselaNajmanja uobičajena veličina piksela za EMCCD kamere je 10 μm, ali najčešća je 13 ili 16 μm. Ovo je preveliko da bi zadovoljilo zahtjeve rezolucije većine optičkih sistema.
● Zahtjevi za kalibracijuProces množenja elektrona troši EM registar tokom upotrebe, smanjujući njegovu sposobnost množenja u procesu koji se naziva 'raspad množenja elektrona'. To znači da se pojačanje kamere stalno mijenja i da je kameri potrebna redovna kalibracija za bilo kakvo kvantitativno snimanje.
● Nedosljedna ekspozicija u kratkim vremenimaPrilikom korištenja vrlo kratkih vremena ekspozicije, EMCCD kamere mogu dati nedosljedne rezultate jer slab signal biva preplavljen šumom, a proces pojačavanja uvodi statističke fluktuacije.
● Zahtjev za intenzivno hlađenjeProces multiplikacije elektrona je pod snažnim utjecajem temperature. Hlađenje senzora povećava dostupno multiplikiranje elektrona. Stoga je duboko hlađenje senzora uz održavanje temperaturne stabilnosti ključno za ponovljiva EMCCD mjerenja.
● Visoka cijenaTeškoća proizvodnje ovih višekomponentnih senzora, u kombinaciji s dubokim hlađenjem, dovodi do cijena koje su obično više od cijena najkvalitetnijih sCMOS senzorskih kamera.
● Ograničeni vijek trajanjaRaspad usljed multiplikacije elektrona ograničava vijek trajanja ovih skupih senzora na obično 5-10 godina, ovisno o nivou korištenja.
● Izvozni izazoviUvoz i izvoz EMCCD senzora obično je logistički izazovan zbog njihove potencijalne upotrebe u vojne svrhe.
Zašto je EMCCD nasljednik CCD-a
| Značajka | CCD | EMCCD |
| Osjetljivost | Visoko | Ultra-jako (posebno slabo svjetlo) |
| Šum očitavanja | Umjereno | Izuzetno nisko (zbog pojačanja) |
| Dinamički raspon | Visoko | Umjereno (ograničeno pojačanjem) |
| Cijena | Donja | Više |
| Hlađenje | Opcionalno | Obično potrebno za optimalne performanse |
| Primjeri upotrebe | Opće snimanje | Detekcija pojedinačnih fotona pri slabom osvjetljenju |
EMCCD senzori se nadograđuju na tradicionalnu CCD tehnologiju uključivanjem koraka množenja elektrona. Ovo poboljšava sposobnost pojačavanja slabih signala i smanjenja šuma, što EMCCD senzore čini preferiranim izborom za primjene snimanja u izuzetno slabom osvjetljenju gdje CCD senzori nisu dovoljni.
Ključne primjene EMCCD senzora
EMCCD senzori se često koriste u naučnim i industrijskim oblastima koje zahtijevaju visoku osjetljivost i sposobnost detekcije slabih signala:
● Zamisao o nauci o životug: Za primjene poput fluorescentne mikroskopije pojedinačnih molekula i fluorescentne mikroskopije totalne interne refleksije (TIRF).
● AstronomijaKoristi se za snimanje slabe svjetlosti udaljenih zvijezda, galaksija i istraživanje egzoplaneta.
● Kvantna optikaZa eksperimente sa preplitanjem fotona i kvantnim informacijama.
● Forenzika i sigurnostZaposlen u nadzoru u uslovima slabog osvjetljenja i analizi tragova dokaza.
● SpektroskopijaU Ramanovoj spektroskopiji i detekciji fluorescencije niskog intenziteta.
Kada biste trebali odabrati EMCCD senzor?
S poboljšanjima CMOS senzora posljednjih godina, prednost EMCCD senzora u pogledu šuma očitavanja se smanjila, jer sada čak i sCMOS kamere mogu imati subelektronski šum očitavanja, uz ogroman niz drugih prednosti. Ako je neka aplikacija prethodno koristila EMCCD-ove, vrijedi provjeriti da li je ovo najbolji izbor s obzirom na razvoj sCMOS-a.
Historijski gledano, EMCCD-ovi su i dalje mogli uspješnije obavljati brojanje fotona, uz nekoliko drugih nišnih primjena s tipičnim nivoima signala manjim od 3-5e- po pikselu na vrhuncu. Međutim, s većim veličinama piksela i šumom čitanja ispod elektrona koji postaju dostupni unaučne kamerezasnovano na sCMOS tehnologiji, moguće je da će se i ove aplikacije uskoro izvršavati pomoću vrhunskih sCMOS-ova.
Često postavljana pitanja
Koje je minimalno vrijeme ekspozicije za kamere s prijenosom kadrova?
Za sve senzore za prijenos kadrova, uključujući EMCCD-ove, pitanje minimalnog mogućeg vremena ekspozicije je složeno. Za akvizicije pojedinačnih slika, ekspozicija se može završiti miješanjem stečenih naboja u maskirano područje radi vrlo brzog očitavanja, a moguća su i kratka (sub-mikrosekundna) minimalna vremena ekspozicije.
Međutim, čim kamera počne slati sliku punom brzinom, tj. snima više kadrova / film punom brzinom kadrova, čim se završi ekspozicija prve slike, maskirano područje zauzima taj kadar dok se očitavanje ne završi. Ekspozicija se stoga ne može završiti. To znači da, bez obzira na vrijeme ekspozicije zatraženo u softveru, stvarno vrijeme ekspozicije sljedećih kadrova nakon prvog u akviziciji više kadrova punom brzinom dato je vremenom kadra kamere, tj. 1 / brzina kadrova.
Da li sCMOS tehnologija zamjenjuje EMCCD senzore?
EMCCD kamere su imale dvije specifikacije koje su im pomogle da zadrže prednost u scenarijima snimanja u ekstremno slabom osvjetljenju (s vršnim nivoima signala od 5 fotoelektrona ili manje). Prvo, njihovi veliki pikseli, do 16 μm, i drugo, njihov šum pri čitanju <1e.
Nova generacijasCMOS kamerakoja nudi iste karakteristike, bez brojnih nedostataka EMCCD-ova, posebno faktora viška šuma. Kamere poput Aries 16 iz Tucsena nude 16 μm piksela sa pozadinskim osvjetljenjem i šumom čitanja od 0.8e-. Sa niskim šumom i 'izvorno' velikim pikselima, ove kamere također nadmašuju većinu binning sCMOS kamera, zbog odnosa između binninga i šuma čitanja.
Ako želite saznati više o EMCCD-u, kliknite na:
Može li se EMCCD zamijeniti i bismo li to ikada željeli?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
